用于核电站主给水管道流量测量的超声波流量计系统的制作方法

本发明涉及超声波流体流量测量设备技术领域，特别涉及一种用于核电站主给水管道流量测量的超声波流量计系统。

背景技术：

核电属于低碳环保的清洁能源，作为一种高密度能源，单机容量大，能有效保证电能质量。但是核电厂整个运行系统对技术要求非常高。随着核电技术的更新换代，相配套的仪表装备制造业也需要自主创新和优化升级。目前主流的核电站基本使用差压式流量计，如文丘里管流量计来测量主给水系统流量。

如图1所示，文丘里管流量计普遍存在的缺陷在于，流体容易对流量计内部的喉管进行冲刷导致测量元件表面磨损，并且文丘里管流量计因为流体内的金属氧化物产生结垢，导致测量精度随使用时间变得更差，并且传统的文丘里管流量计普遍是通过焊接在主给水回路上，更换和维护困难。

因此，现有的核电站采用压差式流量计，流量测量的不确定度较大（不确定度普遍在1％左右），导致流速测量精度较低，无法保证核电厂热功率计算的准确性，影响发电效率。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种流体流速测量精度更高、系统可靠性更好的用于核电站主给水管道流量测量的超声波流量计系统。

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于核电站主给水管道流量测量的超声波流量计系统，包括：

换能器单元，至少包括多对超声波换能器，多对所述的超声波换能器布置在核电站主给水管道上且组成多个超声波声路；

两个相对独立且并联设置的测量单元，均包括数据处理组件和换能器驱动组件，所述的数据处理组件与换能器驱动组件之间通讯连接，所述的换能器驱动组件与多对所述的超声波换能器分别通讯连接，所述的数据处理组件能够接收来自所述换能器驱动组件发送的流体流速信息并基于核电站主给水管道的截面积参数计算流体流量，以及向所述的换能器驱动组件发送控制信号，所述的换能器驱动组件能够接收来自多对所述超声波换能器分别发送的回波信号，以及向多对所述超声波换能器分别发送驱动控制信号，其中一个测量单元处于工作状态时，则另一个测量单元处于待机状态；

核电站集控系统，与两个独立的测量单元的数据处理组件分别通讯连接，且能够读取处于工作状态下的测量单元的数据处理组件的流体流量信息；

显示输出单元，与两个独立的测量单元的数据处理组件分别信号连接，且能够将处于工作状态下的测量单元的数据处理组件发送的流体流量信息输出显示。

上述技术方案中，优选的，所述的换能器单元还包括安装在核电站主给水管道上的换能器安装座，所述的换能器安装座上配置有阀门，所述换能器安装座的内部、所述阀门的内部共同构成与核电站主给水管道相连通且用于容纳所述超声波换能器的插孔，所述的超声波换能器与该插孔之间可拆卸的连接，所述的超声波换能器与所述插孔的孔壁之间设置有密封件，当所述的超声波换能器从该插孔内移除时，所述的阀门能够关闭该插孔。

上述技术方案中，优选的，所述的密封件为套设在所述超声波换能器外周侧的o形密封圈。

上述技术方案中，优选的，所述的超声波换能器包括换能器壳体和封装在所述换能器壳体内的换能器芯片，所述的换能器芯片通过一对信号线与所述换能器驱动组件通讯连接，所述的换能器芯片由高温压电陶瓷材料制成。

上述技术方案中，优选的，所述的超声波换能器具有8对，8对所述的超声波换能器组成8个相对独立的超声波声路，8个所述的超声波声路分为4组，每组有2个相互交叉的超声波声路，4组所述的超声波声路沿核电站主给水管道的横截面上下间距布置。

上述技术方案中，优选的，所述的数据处理组件为cpu处理器。

上述技术方案中，优选的，所述的cpu处理器与核电站集控系统之间通过rs485接口/ethernet接口/4~20ma接口连接。

上述技术方案中，优选的，所述的cpu处理器与所述换能器驱动组件之间通过rs485接口连接。

上述技术方案中，优选的，该超声波流量计系统的流量测量不确定度为小于0.3%。

上述技术方案中，优选的，该超声波流量计系统的流量测量基于下列公式计算：

其中，q是管道截面流速，r是管道半径，n是管道横截面上的声路数，wi是第i声路的加权系数，vi是第i声路上的流速。

本发明通过在核电站主给水管道上布置多对超声波换能器组成多个超声波声路的测量结构，能够获得更高的流体流速测量精度；通过设置两个独立且并联设置的测量单元，且其中一个测量单元处于工作状态时，另一个测量单元处于待机状态，从而在两个测量单元之一出现故障失效时，另一个测量单元能够介入运行，确保整个超声波流量计系统运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是现有技术中核电站用于主给水管道上测量流体流速的文丘里流量计；

图2是本发明超声波流量计系统的结构原理图；

图3是本发明的超声波换能器在核电站主给水管道上的布置结构透视图；

图4是本发明的超声波换能器组成的超声波声路在核电站主给水管道横截面上的布置结构示意图；

图5是图4中沿a-a线剖切后得到的核电站主给水管道的剖面结构示意图；

图6是图4中沿b-b线剖切后得到的核电站主给水管道的剖面结构示意图。

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

本发明超声波流量计系统主要是用于核电厂主给水系统流量测量，它是基于核电厂运行环境和需求下设计的超声波流量计系统，主要用于提高主给水流量测量精度，进而提高核电厂反应堆热功率计算值的准确性，为核电厂高效率发电和安全运行提供数据保证，也为运行中的核电厂小幅度功率提升创造了条件。

超声波流量计的原理是超声波在流体中传播时，其传播速度会受到流体流速影响而变化，因此可以通过测量穿过流体的超声波信号来计算流体流速，其普遍采用的测量方法是时间差法。通常在流体管道的相对两侧布置一对对射的换能器，超声波从一侧换能器发出，并在另一侧换能器接收，通过检测超声波顺流和逆流的传播时间差，可以计算出流体的流速。超声波换能器是一种将电信号转换成超声波信号或者将超声波信号转换成电信号的元器件，根据管道的截面积来计算流量大小。传统的超声波换能器通常是成对设置的，一对超声波换能器组成一个超声声路，因而，多声道超声波流量计应用非常广泛，尤其可以为大型干线水利设施，如水库、明渠、水利发电站等提供精确的流量计量，为各种水利应用提供可靠的贸易结算基础，测量精度更高，测量结果也更加准确。此一节属于现有技术的已知技术，旨在理解本发明，不做赘述。

如图2所示，超声波流量计系统包括换能器单元、两个相对独立且并联设置的测量单元、核电站集控系统以及显示输出单元。

换能器单元包括多对超声波换能器，多对超声波换能器布置在核电站主给水管道上且组成多个超声波声路。结合图3-图6所示，超声波换能器具有8对，分别为1a、1b；2a、2b；3a、3b；4a、4b；5a、5b；6a、6b；7a、7b；8a、8b；8对超声波换能器组成8个相对独立的超声波声路，即1a、1b之间组成一个超声波声路，1a、1b之间组成一个超声波声路，2a、2b之间组成一个超声波声路，3a、3b之间组成一个超声波声路，4a、4b之间组成一个超声波声路，5a、5b之间组成一个超声波声路，6a、6b之间组成一个超声波声路，7a、7b之间组成一个超声波声路，8a、8b之间组成一个超声波声路，8个超声波声路分为4组，每组有2个相互交叉的超声波声路，即声路8和声路4之间相互交叉，声路7和声路3之间相互交叉，声路6与声路2之间相互交叉，声路5与声路3之间相互交叉；4组超声波声路沿核电站主给水管道的横截面上下间距布置。该系统基于超声波时间差法来计算每个声路的流速，管道截面流速由各个声路流速的总和而得，每个声路根据其在管道中的位置而加权，从而管道的截面流量由管道的截面流速和管道的截面积的乘积而得，其基于如下公式计算管道的截面流量：

其中，q是管道截面流速，r是管道半径，n是管道横截面上的声路数，wi是第i声路的加权系数，vi是第i声路上的流速。

当然，在其他实施例中，不限于8对超声波换能器组成8个超声波声路的测量结构，也可是9对、10对甚至更多对，可根据提高管道流体截面流量的测量精度的实际要求增加设计超声波声路数。采用这种超声波多声路交叉式布局的流体测量结构，能够大幅降低流量测量的不确定度，本例中，该超声波流量计系统的流量测量不确定度能够控制在0.3%，甚至更低。

测量单元包括数据处理组件和换能器驱动组件，数据处理组件与换能器驱动组件之间通讯连接，换能器驱动组件与多对超声波换能器分别通讯连接，数据处理组件能够接收来自换能器驱动组件发送的流体流速信息并基于核电站主给水管道的截面积参数计算流体流量，以及向换能器驱动组件发送控制信号，换能器驱动组件能够接收来自多对超声波换能器分别发送的回波信号，以及向多对超声波换能器分别发送驱动控制信号，其中一个测量单元处于工作状态时，则另一个测量单元处于待机状态。

核电站集控系统，与两个独立的测量单元的数据处理组件分别通讯连接，且能够读取处于工作状态下的测量单元的数据处理组件的流体流量信息。

显示输出单元，与两个独立的测量单元的数据处理组件分别信号连接，且能够将处于工作状态下的测量单元的数据处理组件发送的流体流量信息输出显示。

具体的，数据处理组件为cpu处理器。cpu处理器与核电站集控系统之间通过rs485接口/ethernet接口/4~20ma接口连接。cpu处理器与换能器驱动组件之间通过rs485接口连接。

本例中，通过设置两个独立且并联设置的测量单元，且其中一个测量单元处于工作状态时，另一个测量单元处于待机状态，从而在两个测量单元之一出现故障失效时，另一个测量单元能够介入运行，确保整个超声波流量计系统运行的稳定性和可靠性。

为了能够实现对超声波换能器的在线安装、更换以及维护，换能器单元还包括安装在核电站主给水管道上的换能器安装座，换能器安装座上配置有阀门，换能器安装座的内部、阀门的内部共同构成与核电站主给水管道相连通且用于容纳超声波换能器的插孔，超声波换能器与该插孔之间可拆卸的连接，超声波换能器与插孔的孔壁之间设置有密封件，当超声波换能器从该插孔内移除时，阀门能够关闭该插孔。密封件为套设在所述超声波换能器外周侧的o形密封圈。从而不必将整个主给水管道的总阀门关闭，也无需将整个测量系统关闭，使得超声波换能器的安装、更换以及维护更加方便和快捷。

为了适应高温管道的流体流量测量，各个超声波换能器的结构组成为包括换能器壳体和封装在换能器壳体内的换能器芯片，换能器芯片通过一对信号线与换能器驱动组件通讯连接，换能器芯片由高温压电陶瓷材料制成。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。